图-1 纳米晶体示意图 小球代表原子

图-2 化学组成调控示意图 彩色小球代表不同的化学元素,通过组成比例合成不同颜色的量子点(仅为阐述方便,实际情况并不如此)

图-3 核-壳型量子点结构示意图 外层灰色代表在纳米晶体表面进一步生长的壳层结构

图-4 不同颜色量子点的PL谱 激发波长同为400纳米

图-5 AFM成像高度图 粒度在4-6nm。原子力显微镜成像尺度大于电镜尺度的原因在于量子点表面覆盖一层有机分子,厚度在1nm左右,其在电镜下是很难看到的。

图-6 SNL-QDs的HREM结构 晶体核心尺度在3-4纳米

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    量子点(Quantum Dots,为方便起见,以下简称QDs)可以简单理解为三维受限的纳米晶体(图-1)。与块体材料相比,由于电子/空穴在三维空间运动受到量子局限效应影响,QDs能级呈类似原子的分立能级形式,因此,在受激后,呈现许多与块体状态不同的物理性质。以大家所熟知的Au为例,在纳米尺度下,其颜色、熔点、吸附能力等与块体金相比存在很多不同,而这些独特的纳米属性也正为我们所利用,如医学检验,结构标记等等。类似的例证还有许多,如磁纳米颗粒、自洁材料等,它们开始影响、甚至已经走入我们的日常生活。

    需要特别说明的是,我们这里所介绍的QDs主要由半导体材料(也包括金属和非金属元素)构成,而我们所关注和讨论的性质仅仅是由半导体性质决定的“光致发光”属性,半导体QDs其它方面的研究与应用,在此不再涉及。其实,物理学家对于纳米尺度下半导体材料光电性质的研究已有几十年的历史,人们对高效激光器、量子计算机、太阳能电池、照明及显示屏等的追求,刺激了QDs的迅速发展。可以说早期的QDs研究为物理学家所主导,但我们也不应忽略化学家的贡献,正是他们在上世纪末期发现了合成高效QDs的技术方法,从而为QDs广泛应用提供了可能,而这种方法直至今天还在被许多实验室所采用。自此后QDs合成方法的研究一直没有停止,而彭小刚等人的研究让QDs制备技术走向了一个新的高度,让更多实验室可以在不那么苛刻的条件下制备品质更为优良的QDs材料。更为重要的的是,他提供了许多测定QDs基本属性的方法,如荧光量子效率、摩尔消光系数等,为QDs定量研究打下了坚实的基础。当然,预测QDs制备方法的发展还为时尚早,但目前的技术水平已足够让我们在多个领域尝试使用这个以前“很贵”的东西了。

    让QDs走出神秘的物理科学殿堂的同样是二位化学家。在1998年,尚属印第安纳大学化学系的聂书明实验室和麻省理工学院的Alivisato实验室分别在<Science>杂志刊出其研究成果,首次将QDs应用于生物医学标记。可能是预计到了这项工作的重要意义,科学杂志将这二篇论文在同一期顺序刊出,也就此成就了一段佳话。果然,在今天看来这二篇论文已成为QDs生物探针研究的里程碑。至今,QDs生物探针的发展已有十年的历史,其发展之迅速、影响之广泛超出了许多人的预料,逐渐成为纳米技术向生命科学领域渗透的领导技术之一。或许在今后这会成为探讨二十一世纪生命科学发展史研究上的重要话题。

    说到这里,我们不妨简要介绍一下QDs作为生物探针的几个特点,可能会有助于我们从一个侧面了解QDs生物探针迅速发展的原因,当然这在许多早年的论文中已经提及。

    首先,QDs的发射谱单一而且很“窄”。其半峰宽(FWHM)大都在40nm以下,更好的可以达到30nm甚至十几个nm,因此,QDs作为探针,可以很方便的区别于背景信号或者其它探针的信号。

    其次,QDs的激发谱很宽,可以在低于发射谱的广泛区间内任意选择激发波长。这个属性是我们对设备(光源)的选择变得更加方便,而不必受限于特殊激光器。QDs的这个特点还可以让我们在同一固定激发波长下,同时激发不同颜色的QDs,从而使需要实时观测多种目标分子运动或反应的实验变得从容不迫和得心应手。

    第三,QDs的发光强度高。与我们惯用的有机小分子染料相比,QDs的发光强度要高几倍乃至几十倍。这一方面取决于QDs的荧光量子效率,另外也决定于QDs的摩尔消光系数。毋庸置疑,高发光强度使我们能够更为方便地从复杂背景中(如自发荧光)提取我们需要的信号。

    第四,QDs的稳定性很好。虽然早期的QDs在光学/化学稳定性上不存在非常突出的优势,但近年来技术的改进是QDs的稳定性大幅提高,在生理条件下可以保持几个月而没有明显的衰减。

    第五,QDs表面经过化学修饰,可以携带氨基、羧基、巯基等,可以方便地与我们选择的生物分子缀合,而不必再为构建探针的策略而惮心竭虑,而这几种化学反应的效率,已经可以足够满足我们构建探针的要求。

    第六,超高的表面积-体积比允许QDs表面存在丰富的化学基团,为我们选择构建多功能探针提供了优秀的平台,比如,构建同时具有细胞/组织靶向性、跨膜属性、核定位属性以及治疗特性的QDs生物探针。

    作为纳米生物探针的发光核心,QDs的化学元素构成主要分为II-VI族量子点和III-V族量子点,如CdSe,CdTe,InAs,InP,CdS,ZnS等等。为了提高荧光量子效率和稳定性,“核-壳”(core-shell)型QDs制备成为重要选择之一,典型的如CdSe/CdS,CdSe/ ZnS,CdTe/CdS等,其基本思路是在QDs外层形成高带隙的“墙”,以约束电子的非辐射越迁(图-3)。由于QDs的光致发光谱最终取决于QDs材料的带隙和QDs的尺度大小,因此这种QDs在制备中主要通过控制尺度进行QDs光谱的调制,即采用同种化学材料,通过控制QDs的大小,得到不同颜色的QDs。为了保障QDs的晶体质量,控制“成核-生长”(nucleation-crystal growth)平衡是QDs制备中需要首先考虑的问题,而成核过程是一个在极短时间内完成的过程,可以想象,这种制备策略在操作上和设备上要有很高的要求,因此许多实验室采用紫外实时监控的办法。或许,随着技术的进步这种方法会有进一步的提高。

    在讨论完QDs光谱“尺度调控策略”的同时,我们来关注一下另外一种结构类型的QDs-合金型量子点(alloy QDs)。不同于我们上面所介绍的尺度调控策略的QDs,合金型QDs一般是由三种以上元素构成的纳米晶体,其晶体参数介于高带隙材料和低带隙材料之间,发光光谱的变化取决于三种元素的比例变化(图-2)。典型的如CdSexS1-x量子点,其晶体参数介于CdSe(红)和CdS(兰)之间,通过调整S和Se在晶体中的比例,可以调整晶体的带隙大小,从而在受激后发射不同颜色的光。单纯从制备角度看,这种策略比较有利于光谱的调制和制备的可重复性,因为调整的仅仅是化学比例。需要强调的是,采用这种策略制备的QDs即使具有不同颜色,但尺度上是一致的。因此在对尺度敏感的许多应用领域,如纳米颗粒阵列、生物分子多标记等,合金型QDs无疑具有更明显的优势。

    以上所提及的两种类型QDs在制备策略上还有水相法,许多实验室在进行这方面的工作,我们对此并不内行,不再具体陈述。需要说明的是,我们研究室近年来一直致力于合金型QDs制备工作,其技术指标与现有商业化产品相比具有明显优势,相关技术已经申报国家发明专利,并应在近期公布审议结果,我们也会及时公布(图-4~6)。

    在QDs研制当中,不断有实验室希望我们提供QDs样品,但苦于科研任务繁重及技术尚未完全成熟,未与正面回应,在此表示歉意。经过几年来的努力,技术上已届花开之时,我们希望与大家共享这一技术成果。如果它能够对您的科研工作有一定帮助,将是对我们这些年工作的一种褒奖与鼓励。

 


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